Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Нечто удивительное происходит, если вы сложите вместе полупроводник n-типа и полупроводник p-типа из одинакового основного состава (например, оба на базе кремния). Когда вы прикладываете напряжение через место соприкосновения между этими материалами, разница в типах носителей заряда ведет к драматическому изменению в поведении, зависящему от знака приложенного напряжения к каждой стороне. Если вы приложите положительный заряд к материалу p-типа и отрицательное напряжение к n-типа, то потечет ток. Дырки в материале p-типа будут двигаться от положительного напряжения к границе между двумя материалами, и электроны n-типа будут двигаться от отрицательного заряда тоже к границе. Когда эти два потока встретятся, электроны, текущие к границе от материала n-типа, заполнят дырки, текущие к ней от материала p-типа. В это время новые электроны будут подталкиваться в материал n-типа на конце с отрицательным напряжением, в то время как электроны выходят на конце с положительным напряжением, создавая новые дырки. Этот процесс может продолжаться бесконечно, и ток будет легко течь через место соединения.

Если вы поменяете местами напряжения, ситуация будет сильно отличаться. Отрицательное напряжение, приложенное к материалу p-типа, будет втягивать положительные дырки прочь от границ, в то время как положительное напряжение на материале n-типа также втягивает в него электроны. Это создает очень короткий ток, поскольку материал реорганизует сам себя, но в отсутствие источника новых электронов, ток прекратится.

Итак, в то время как полупроводники с примесями сами по себе не особенно интересны, соединение между полупроводниками p-типа и n-типа создает нечто новое и действительно очень интересное. Комбинация этих двух материалов создает диод – прибор, который позволяет току течь лишь в одном направлении. Это находит применение в повседневных технологиях, в основном в качестве защиты компонентов, которые могут выдерживать ток, протекающий лишь в одном определенном направлении. При правильном выборе полупроводниковых материалов электроны, рекомбинирующиеся с дырками на границе между материалами, будут излучать фотон, чья частота будет определяться полосой провала в энергии полупроводника. Такие светоизлучающие диоды (LED[204]) использовались для ламп с низким потреблением энергии в часах и других приборах десятилетиями. Самые последние улучшения в технологии LED[205] сделали их необходимыми деталями компьютерных дисплеев и бытовых осветительных приборов. LED также могут использоваться как основа для лазера в печатающих устройствах, при этом лицевая и обратная стороны полупроводникового чипа используются как «зеркала» для лазерной выемки (как описано в главе 5). В результате получается мощный источник лазерного света, упакованный в пространстве габаритами около сантиметра, и такие источники используются для считывания и записи данных в оптических системах хранения данных (таких, как CD, DVD и Blu-ray плейеры), сканерах товаров в супермаркетах и лазерных указках и много чего.

Движение электронов и дырок в диоде для по-разному приложенных напряжений. Отрицательное напряжение в полупроводнике n-типа толкает электроны к границе, где они комбинируются с дырками, выталкиваемыми от положительного напряжения на полупроводнике p-типа, что дает постоянное течение тока по мере поступления новых электронов в n-типе и из p-типа. Изменение знаков напряжения тянет электроны к положительному напряжению и дырки – к отрицательному, оставляя обедненный участок на границе и останавливая течение тока.